王杰貴 張鵬程

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對線性調頻脈沖壓縮雷達的多載波調制轉發(fā)干擾

王杰貴 張鵬程*

(電子工程學院 合肥 230037)

目前對線性調頻(LFM)脈沖壓縮雷達轉發(fā)欺騙干擾主要通過移頻調制轉發(fā)和采樣直接轉發(fā)實現(xiàn)，常規(guī)轉發(fā)干擾樣式簡單，干擾信號規(guī)律性強、復雜度低。該文提出一種基于間歇采樣的多載波調制轉發(fā)新型干擾樣式。首先引用碼片的概念對間歇采樣過程重新建模，在此基礎上，通過對當前采樣碼片附加不同移頻量，結合多載波并行調制體制對其進行串并轉換，利用不同次轉發(fā)信號各子載波間的干擾累積，實現(xiàn)對LFM脈沖壓縮雷達的數(shù)量、幅度、空間分布可控的逼真假目標干擾。仿真表明該干擾樣式比移頻干擾和直接轉發(fā)干擾具有更好的干擾效果。

雷達；線性調頻信號；多載波調制；間歇采樣；數(shù)字射頻存儲器；轉發(fā)干擾

1 引言

線性調頻(Linear Frequency Modulated, LFM)信號在脈沖壓縮體制雷達系統(tǒng)中應用最為廣泛，其脈內非線性相位特征獲得的大時寬帶寬積，很好地解決了作用距離與分辨力和測量精度之間的矛盾，回波處理采用脈沖壓縮技術，大大提高了系統(tǒng)的抗噪聲、抗雜波等非相干干擾性能[1,2]。如何對采用LFM信號的雷達進行有效的干擾已成為雷達對抗領域研究的熱點[3]。

目前，針對LFM脈沖壓縮雷達的干擾方式以相干干擾為主，主要包括直接轉發(fā)干擾和調制轉發(fā)干擾[4,5]。由于相干干擾需要比較準確地獲取雷達信號的相關信息，通常多采用數(shù)字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)來實現(xiàn)，考慮到收發(fā)隔離問題，干擾機主要工作在收發(fā)分時模式。對于直接轉發(fā)干擾而言，采用全脈沖存儲轉發(fā)干擾能夠產(chǎn)生一個高逼真假目標，但由于LFM信號具有很寬的脈沖寬度，使得假目標至少滯后于真目標一個脈沖寬度而很容易被采用距離保護門技術的雷達有效鑒別[6]；采用短脈沖存儲轉發(fā)干擾雖然解決了假目標滯后時間過長問題，但是干擾信號相干性差，無法對LFM雷達形成有效干擾；采用間歇采樣轉發(fā)干擾很好地解決了假目標滯后時間過長問題，同時兼顧相干性，但也存在一些不足：文獻[7]指出間歇采樣直接轉發(fā)能夠形成以主假目標為中心的服從辛格分布的假目標串，但主假目標始終滯后于真目標，次假目標幅度衰減很快，有效假目標較少。文獻[8,9]提出了間歇采樣重復轉發(fā)干擾，通過犧牲干擾信號的相干性產(chǎn)生數(shù)量眾多的假目標，因此對干擾機功率提出很高要求，同時由于次假目標幅度過小且衰減較快，無法形成有效的導前干擾效果。針對直接轉發(fā)干擾無法形成有效的導前干擾，文獻[10]基于LFM信號在距離多普勒頻率間的強耦合性，提出了移頻轉發(fā)干擾樣式，該干擾樣式通過對采樣到的信號附加一個移頻量，使得假目標在距離上產(chǎn)生一個前移，從而實現(xiàn)了導前假目標群干擾效果。但是在干擾過程中，為了防止雷達利用該移頻量進行抗干擾，則要求移頻量不能太大，對于自衛(wèi)干擾而言，移頻量過小又達不到有效的干擾效果。文獻[11]和文獻[12]針對該問題，提出了階梯波移頻、線性函數(shù)移頻、分段線性函數(shù)移頻、隨機移頻等改進方法，改進移頻干擾的思想是把整個脈沖分段，在每段內附加不同的移頻量，最終產(chǎn)生多個假目標的干擾效果達到隱藏移頻特征而不易被雷達所識別，盡管每一段信號都與原信號是相干的，但是脈沖壓縮時各段干擾效果不能累積，使得生成的假目標幅度均只有改進前的單個主假目標幅度的1/，無法形成有效干擾。通過以上分析，可以看出，直接轉發(fā)干擾樣式簡單，無法形成有效導前干擾；移頻調制轉發(fā)干擾效果的有效性與干擾信號的抗識別性不可兼得。

針對上述問題，本文將多載波調制(Multi- Carrier Modulation, MCM)[13,14]應用到調制轉發(fā)干擾中，提出了一種基于間歇采樣轉發(fā)體制的多載波調制新型干擾樣式，通過對間歇采樣信號進行多載頻并行調制，很好地解決了上述問題。同時研究了關鍵參數(shù)對干擾效果影響，得到了假目標數(shù)目、幅度以及空間分布與干擾參數(shù)之間的關系。通過對典型LFM脈沖壓縮雷達進行仿真驗證，與直接轉發(fā)干擾和移頻調制干擾相比，該干擾樣式復雜度高，相干性強，產(chǎn)生假目標數(shù)量多，分布范圍廣。

2 脈沖壓縮原理和多載波調制

2.1 LFM脈沖壓縮原理

脈沖壓縮雷達通過發(fā)射大時寬帶寬積信號，接收時采用相關接收或匹配濾波對回波信號進行壓縮，獲得窄脈沖信號，從而解決了作用距離和分辨力之間的矛盾。在該雷達系統(tǒng)中，大時寬帶寬積信號和脈沖壓縮網(wǎng)絡是實現(xiàn)脈沖信號壓縮的關鍵，大時寬帶寬積信號的非線性相位譜提供了信號被“壓縮”的可能性，相關器和匹配濾波器則是實現(xiàn)脈沖信號壓縮的必要條件[15]。

LFM矩形脈沖信號是典型的大時寬帶寬信號，具有拋物線式的非線性相位譜。其復數(shù)形式可以寫為

回波信號通過脈沖壓縮濾波器進行壓縮，脈沖壓縮濾波器是匹配濾波和相關接收理論的實際應用。根據(jù)匹配濾波理論可知，匹配濾波器在時刻與相關器是等價的。以匹配濾波器為例，其回波處理框圖如圖1所示。

鑒于脈沖壓縮器是脈沖壓縮雷達區(qū)別于其它雷達的最大特點，不失一般性，可對回波處理模型進行簡化，忽略射頻信號在傳輸中受到的影響，回波信號經(jīng)混頻后的中頻輸出與相同的結構。針對該信號，根據(jù)匹配濾波理論，可得匹配濾波器的單位沖激響應為

可以看出，匹配濾波后輸出信號是單載頻信號，頻率為LFM信號的中心頻率，復包絡為

圖1 回波處理框圖

2.2 多載波調制

MCM體制在通信系統(tǒng)和新體制雷達系統(tǒng)中有著廣泛應用，其本質是頻分復用技術，通過把可用的頻帶劃分成若干個子頻帶，在每個子頻帶上傳輸一路信號，將要傳輸?shù)男畔⒄{制到各子載波上同時發(fā)射出去，而實現(xiàn)信號頻帶的復用。相對于單載波調制，MCM的最大優(yōu)勢在于其并行性，各子載波傳輸?shù)目梢允莵碜酝恍旁磾?shù)據(jù)的串并轉換，也可以是來自不同信源的不同數(shù)據(jù)。子載波上的信號形式?jīng)Q定了信號的性能。在新體制雷達系統(tǒng)中，為了獲得更加復雜的波形，通過在各子載頻上與其它調制技術結合，從而提出了基于MCM體制提出的多種雷達信號形式，如多載波線性調頻信號和多載波相位編碼信號。

MCM信號的一般表達式可寫為

3 多載波調制轉發(fā)干擾

在雷達系統(tǒng)中，采用MCM技術，目的是合成大帶寬提高距離分辨率和目標的檢測概率，由于各子載波上的信號形式?jīng)Q定了信號的性能，因此在接收端需完全分離各路信號，這就要求在設計發(fā)射信號時，各路已調信號是嚴格正交的。而在干擾系統(tǒng)中，采用MCM技術，更多利用的是多載波信號的并行性，由于匹配濾波器是一個線性時不變系統(tǒng)，滿足齊次和疊加性，因此在干擾信號的設計時則無需考慮各子載波載頻間的正交性，使得干擾信號設計變得更加靈活。

3.1 間歇采樣模型

間歇采樣調制轉發(fā)干擾是指截獲到雷達信號后，利用DRFM高保真采樣其中的一段后，馬上進行調制并轉發(fā)，再采樣再調制轉發(fā)，采樣和轉發(fā)交替分時工作，直到采樣結束。其基本原理如圖3所示。

間歇采樣函數(shù)為一矩形脈沖脈沖串[16]，可表示為

同樣，利用分割的思想可將雷達信號表示為

間歇采樣過程為

將式(7)和式(8)式代入式(9)得

圖2 LFM信號匹配濾波時域輸出????????????圖3 間歇采樣轉發(fā)原理示意圖

可以看出間歇采樣干擾效果為轉發(fā)信號與原信號重合碼片的脈沖壓縮輸出的疊加，其干擾效果如圖5所示。

3.2 基于DRFM的間歇采樣MCM轉發(fā)干擾

根據(jù)3.1節(jié)所得結論，間歇采樣轉發(fā)干擾效果可以看成是頻帶重合碼片的相關輸出，由于轉發(fā)碼片為順序轉發(fā)，所以轉發(fā)碼片頻帶重合均在處，如果對各碼片轉發(fā)的順序進行調整，則碼片頻帶重合的時刻就會發(fā)生變化，即假目標的位置會發(fā)生改變，且會在多個時刻產(chǎn)生假目標，假目標的幅度正比于頻帶重合的碼片個數(shù)。在當前時刻我們知道采樣時刻前奇數(shù)位碼片的信息，偶數(shù)位則可根據(jù)相鄰兩奇數(shù)位進行估計，采樣時刻之后的信號則也可通過當前采樣時刻碼片通過附加一定的移頻量估計得到，然而，如果只是單純地改變碼片的轉發(fā)次序，雖然單個碼片內頻率是線性增加的，但是碼片間頻率則不再是線性增加，則很容易被雷達方識別，而且該類干擾產(chǎn)生的假目標幅度較小，很可能不能形成有效干擾。

圖4 接收機間歇采樣信號的瞬時頻率?????????????圖5 各碼片干擾效果疊加原理圖

基于DRFM間歇采樣MCM轉發(fā)干擾的思想是指干擾機采樣一段雷達信號后，根據(jù)采樣信號帶寬把發(fā)射信號整個頻帶劃分成個子頻帶，各子頻帶可以有重疊部分，根據(jù)子頻帶數(shù)量和信號帶寬之間的關系選擇各子頻帶的起始頻率，子載波上的LFM信號的調諧頻率和脈沖寬度分別與采樣信號的調頻斜率和脈沖寬度相等，根據(jù)上述參數(shù)產(chǎn)生MCM干擾信號并轉發(fā)。干擾信號可看成是原信號順序相接碼片的串并轉換，碼片可以部分重疊，然后同時發(fā)射出去，利用多次轉發(fā)中斜率在同一直線上的各碼片干擾效果的累積生成多個有效假目標。采樣時刻之后的信號以及偶數(shù)位碼片均需要估計，為了能夠充分利用采樣到的信號的相干性，在劃分頻帶時，取頻帶寬度為，且頻帶連續(xù)相接，產(chǎn)生滯后假目標時則可直接將DRFM中的信號進行讀取，干擾信號的設計也就變?yōu)榱舜a片的選擇和組合。MCM線性調頻干擾信號的瞬時頻率結構如圖6所示。

根據(jù)式(12)，可以寫出該信號轉發(fā)后經(jīng)過匹配濾波器的輸出信號為

將式(16)代入式(18)，便可得到最終干擾效果。

由于延遲轉發(fā)周期正好是假目標間隔的整數(shù)倍，所以在延遲轉發(fā)過程中，各次轉發(fā)信號的干擾效果具有累積性，各次轉發(fā)信號在某時刻重疊次數(shù)越多，生成的假目標幅度越大；當延遲周期不是假目標間隔的整數(shù)倍時，各次轉發(fā)干擾效果則不具有累積性，生成假目標更密集。導前或滯后距離越大，生成的假目標幅度越小；同時還可通過幅度調制因子對幅度進行補償或減弱，從而實現(xiàn)破壞假目標分布的對稱性，也可通過選擇部分碼片，或者對采樣信號附加不同的頻移量破壞假目標分布的規(guī)律性。

4 仿真分析

由圖9可以看出，基于間歇采樣的MCM轉發(fā)干擾可形成多個導前導后的假目標串，獨立的假目標具有辛格包絡。假目標數(shù)目、幅度、分布可由干擾參數(shù)控制，假目標數(shù)目由子載波個數(shù)和轉發(fā)次數(shù)共同決定，假目標幅度則與當前時刻轉發(fā)碼片和濾波器中對應碼片完全重合個數(shù)有關，重合個數(shù)越多，假目標幅度越大，假目標間距由采樣周期和子載波中心頻率間隔共同決定，采樣周期越大，假目標距離越大，子載波中心頻率越小，假目標間隔就越小，反之亦然，假目標的導前最大距離由間歇采樣周期決定，采樣周期越小，導前距離越大?？梢姡抡娼Y果與理論分析一致。與間歇采樣直接轉發(fā)干擾和移頻轉發(fā)干擾相比，MCM轉發(fā)干擾的干擾信號復雜，設計靈活，干擾范圍廣，具有比前者更好的干擾效果。

圖6 MCM干擾信號的瞬時頻率??????圖7 信號串并轉換干擾效果?????圖8 間歇采樣直接轉發(fā)和移頻干擾效果

圖9 間歇采樣MCM轉發(fā)干擾效果

5 結束語

針對當前LFM脈沖壓縮雷達轉發(fā)干擾存在的一些問題，本文提出了一種多載波調制轉發(fā)新型干擾樣式，在理論上對干擾效果進行了詳細分析，得到了干擾參數(shù)與干擾效果之間的約束關系，可以看出，多載波干擾可以實現(xiàn)對LFM導前、導后的假目標群干擾，通過合理選擇子頻帶個數(shù)、采樣周期和子載波幅度調制參數(shù)，可以控制假目標幅度起伏特性、假目標數(shù)量以及假目標導前和滯后距離，是一種新型的干擾樣式，通過仿真分析，驗證了理論分析的正確性，本文的分析結果可為新型干擾機設計和干擾戰(zhàn)術實施提供理論依據(jù)。

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Multi-carrier ModulationRepeaterJamming against Linear Frequency Modulated Pulse-compression Radar

Wang Jie-gui Zhang Peng-cheng

(,230037,)

Repeater deception jamming against Linear Frequency Modulated (LFM) pulse-compression radar is realized by frequency-shift repeater and direct repeater jamming so far. Conventional repeater jamming type is simple. Regularity of jamming signal is strong and complexity is low. A new repeater jamming type with multi-carrier modulation based on intermittent sampling is proposed. Firstly, the model of intermittent sampling is rebuilt with the code chip concept. Based on this, lifelike false targets with the quantity, amplitude and space distribution which can be controlled are produced by attaching different frequency-shift component to the present sampling code chip, deserializing signal used multi-carrier parallel modulation system and utilizing the accumulation of different times repeater signal jamming effect among sub-carriers. The simulation results show that the new jamming type has better performance than frequency-shift jamming and direct repeater jamming.

Radar; Linear Frequency Modulated (LFM) signal; Multi-carrier modulation; Intermittent sampling; Digital Radio Frequency Memory (DRFM); Repeater jamming

TN958

A

1009-5896(2015)11-2727-08

10.11999/JEIT150193

2015-02-03；改回日期：2015-04-01；

2015-06-26

張鵬程 15755109092@139.com

國家自然科學基金(61171170)

The National Natural Science Foundation of China (61171170)

王杰貴： 男，1969年生，博士，副教授，研究方向為電子對抗、信號與信息處理、數(shù)據(jù)融合技術等.

張鵬程： 男，1990年生，碩士生，研究方向為雷達及雷達對抗理論與技術.